Goede kweekbodem voor germaneen, unieke eigenschappen blijven behouden

Grafeen mag dan het bekendste 'tweedimensionale' materiaal zijn, het nieuwe familielid germaneen lijkt eigenschappen te hebben die het nog geschikter maken voor elektronische toepassingen. Voorwaarde is wel dat het één atoom dikke laagje van dit materiaal op de juiste ondergrond groeit. Onderzoekers van het Mesa+ Instituut van de Universiteit Twente en onderzoekers van de Radboud Universiteit zijn erin geslaagd germaneen op een halfgeleider te groeien waardoor de unieke eigenschappen behouden blijven. In twee afzonderlijke publicaties in dezélfde editie van Physical Review Letters presenteren zij de berekeningen en de experimenten.

Germaneen is een één atoom dikke laag van germanium, in een honingraatstructuur. Het heeft daarmee overeenkomsten met grafeen, waarnaar veel onderzoek wordt gedaan, zeker na de Nobelprijs in 2010.

Een belangrijk verschil zit in de zogenoemde 'bandkloof' (band gap), waaraan bestaande halfgeleiderelektronica ook zijn werking dankt: een 'sprong' in energieniveaus die elektronen mogen hebben en die het mogelijk maakt om de elektrische stroom te besturen, te schakelen en te versterken.

Grafeen heeft een zeer kleine bandkloof die alleen bij extreem lage temperaturen meetbaar is, germaneen heeft een aanzienlijk grotere. Maar eerdere experimenten wijzen uit dat die eigenschappen verloren gaan als germaneen groeit op een drager van metaal, dus op een stroomgeleider. De onderzoekers hebben daarom gekozen voor de halfgeleider molybdeendisulfide (MoS₂) als drager.

Eilandjes

Op dat materiaal blijkt germaneen inderdaad te kunnen groeien, in ultrahoog vacuüm. De onderzoekers zien eerst eilandjes ontstaan bij kristalafwijkingen van het MoS₂, daarna breidt het laagje zich verder uit over het oppervlak. Spannend is dan de vraag of de gewenste eigenschappen behouden blijven: dan zou het binnenste deel werken als een isolator, terwijl er aan de randen geleidende kanalen ontstaan. De eerste metingen laten zien dat de tweedimensionale eigenschappen en de bandkloof behouden blijven.

Andere onderzoekers hebben kwantummechanische berekeningen uitgevoerd aan de combinatie van molybeendisulfide en germaneen. Zij keken bijvoorbeeld naar de invloed van de groeirichting, om het proces te optimaliseren. Ook gingen zij nog een stap verder, door het germaneen ook weer af te dekken met molybdeendisulfide: dit voorkomt dat het germaneen snel oxideert. Ook blijkt de 'sandwich' nog gunstiger te scoren qua grootte van de bandkloof.

Spintronica

Beide publicaties laten zien dat germaneen op molybdeendisulfide een belangrijke eerste stap is op weg naar elektronische devices, bijvoorbeeld in de 'spintronica' die gebaseerd is op de tolbeweging, spin, die elektronen maken. Elektronen met verschillende spins - naar boven gericht en naar beneden gericht - hebben aan de rand van germaneen dan elk hun eigen geleidend kanaal.

Dit werk maakt deel uit van het Vrije FOM-programma '2D semiconductor crystals'.

Publicatie uit de groep van Harold Zandvliet (UT) en Misha Katsnelson (RU):

Structural and electronic properties of germanene on MoS_{2 ,} Phys. Rev. Lett. 116, 256804, 21 juni 2016.

Publicatie uit de groep van Paul Kelly (UT):

Z₂ invariance of germanene on MoS2 from first principles , Phys. Rev. Lett. 116, 256805 - 21 juni 2016